用於形成微閥的選擇性接合的製作方法

2023-07-01 10:36:11 2

專利名稱：用於形成微閥的選擇性接合的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及控制閥以及半導體機電裝置，尤其涉及一種用於形成微機械加工控制閥的方法。
背景技術：
MEMS(微機電系統)是體積小的一類系統，其具有微米級尺寸特徵。這些系統不僅具有電元件，而且具有機械元件。術語「微機械加工」通常可以理解為是指MEMS裝置的三維結構和可動部件的製造。MEMS最初是利用修改集成電路(計算機晶片)構造技術(如化學蝕刻)和材料(如矽半導體材料)來微機械加工這些非常小的機械裝置。當今有許多可用的微機械加工技術和材料。本申請所用的術語「微閥」是指具有微米級尺寸特徵的閥，且顧名思義，其至少部分地通過微機械加工形成。本申請中所用的術語「微閥裝置」是指包括有微閥的裝置，並且其可包括其他元件。應該指出，如果該微閥裝置包括除了微閥以外的元件，這些其他元件可以是微機械加工的元件或者標準尺寸的(較大的)元件。
已經提出過用於控制流路中的流體流動的各種微閥裝置。一種典型的微閥裝置包括可動的部件或閥，其由本體可移動地支撐並可操作地連接到致動器上，以在閉合位置和完全打開位置之間移動。在閥處於閉合位置時，其阻擋或關閉與第二流體口流體連通的第一流體口，由此防止流體在流體口之間自由地流動。在閥從閉合位置移動到完全打開位置時，逐漸容許流體在流體口之間流動。Maluf等人的美國專利申請US2003/0098612A1(頒發的美國專利US6761420)披露了具有第一、第二和第三層的微閥裝置，該專利披露的內容在此全部加入以供參考。第二層接合在第一層和第三層之間，並在層之間形成空腔，可動部件(閥)置於空腔內。發明名稱為「先導式微閥裝置(PilotOperated Microvalve Device)」的美國專利US6540203描述了由電動先導微閥和由先導式微閥組成的一種微閥裝置，其中先導式微閥的位置由所述電動先導微閥控制，該專利披露的內容在此全部加入以供參考。發明名稱為「用於電子控制傳動的微閥(Microvalve forElectronically Controlled Transmission)」的美國專利US6494804描述了一種用於控制流路中流體流動的微閥裝置，並包括使用通過小孔的流體洩放路徑來形成分壓迴路，該專利的全部內容在此加入以供參考。
除了要產生足以使可動部件移動的力以外，致動器必須產生能夠克服作用於可動部件上的流體流動力的力，該流體流動力反抗可動部件的預期位移。這些流體流動力通常隨著流過流體口的流速增加而增加。
一種製造微閥的方法涉及熔化接合(如矽熔化接合)和深反應離子蝕刻(DRIE)。晶片接合容許一個矽層接合到另一個矽層上，從而形成一個單獨的機械結構。一種晶片接合工藝(熔化接合)已經證實是分子級的，並提供非常高的機械強度。熔化接合技術是眾所周知的。例如，參見K.E.Petersen，D.Gee，F.Pourahmadi，J.Brown和L.Christel在1992年6月的換能器91論文集上第397-399頁的「利用矽熔化接合製造的表面微機械加工結構」(「Surface MicromachinedStructures Fabricated with Silicon Fusion Bonding，」Proceedings，Transducers 91，June 1992，at PP.397-399)，其披露的內容特意在此全部加入以供參考。包括陽極接合、焊料接合、粘結接合在內的其他典型的晶片接合也可適用於本文件中所述的選擇性接合工藝。
儘管形成微閥的幾種方法已經在過去使用，但是，設計一種改進的方法將是有益的，以減少微閥的製造成本並使微閥更容易製造。

發明內容
本發明涉及一種使多層選擇性接合的方法。該方法包括設置第一層和第二層。第一層和第二層中的至少一個的一部分塗覆有覆層材料。第一層和第二層然後相互接合。在塗覆部分和未塗覆部分相鄰設置時，覆層防止了塗覆部分與未塗覆的另一層的相對部分接合。
該方法也包括設置第一矽層和第二矽層。將一部分第二矽層蝕刻，以形成滑動部和層部。滑動部可相對於層部移動。一部分第一矽層塗覆覆層材料。塗覆部分的大小和形狀與滑動部的大小和形狀相應。第一矽層置於第二矽層之上，以使得第一矽層的塗覆部分與第二矽層的滑動部大致對齊。最後，執行使第一矽層接合到第二矽層的接合操作。在接合操作過程中，第二矽層的層部接合到第一矽層上，而覆層材料將滑動部與第一矽層隔開，以防止滑動部與第一層接合。
在本領域技術人員根據附圖閱讀了下述的詳細說明書時，本發明的各種目的和優點將變得更加清楚。


圖1是根據本發明製造的微閥組件的第一層、第二層和第三層的分解透視圖。
圖2A-2F示出根據本發明形成微閥的製造工藝流程。
圖3是根據本發明的具有塗覆部分和可動部分的微閥的第一層和第二層的分解平面圖。
圖4A-4D示出根據本發明形成微閥的製造工藝流程。
圖5-10示出根據本發明形成微閥的製造工藝流程的可替換實施例的流程圖。
具體實施例方式
幾種型式的微機械加工裝置在本領域中是已知的。這些裝置中的許多是被形成為具有接合在一起的多層。現參考附圖，在圖1中示出用附圖標記10總的來表示的可根據本發明而形成的微閥的分解圖。微閥10基本上包括三個層或襯底第一層12、第二層14和第三層16。第一層12限定了入口20和出口22。第二層14固定在第一層12和第三層16之間，並限定了空腔24，該空腔24包括流動區域以容許流體在入口20和出口22之間流動。第二層14還限定了可動部件26，其可響應於熱致動器28、30而被移位，以打開和關閉入口20。在示出的實施例中，可動部件26是細長的。分別用於電熱加熱致動器28、30的電觸頭32a、32b、34a和34b設在穿過第三層或保護層16的通道中。
在輸入如電流被施加經由電觸頭32a-b、34a-b而通過致動器28、30的每一個時，致動器28、30的每一個分別沿著箭頭D28和D30所示的方向施加力。箭頭D28和D30所示方向上的力致使可動部件26沿著箭頭D26所示的方向移動，以便使得可動部件26的至少一部分與入口20豎直地對齊。因此，電流用作使致動器28、30致動的輸入刺激。上述可動部件26相對於入口20至少部分的豎直對齊從而可至少部分地關閉該入口20。可選擇可動部件26的位移量或對齊量，從而控制例如從入口20通過微閥10流到出口22的流體的流速。在不再施加輸入通過致動器28、30時，致動器28、30分別沿著與箭頭D28和D30所示方向相反的方向施加力，從而通過使得可動部件26沿著與箭頭D26所示方向相反的方向移動，使可動部件26返回到其相對於入口20的常開位置。
可替換地，微閥10可構造成使得可動部件26相對於入口20處於常閉位置，並可移動以打開該入口20。在另一個可替換的實施例中，微閥10可構造成使得可動部件26相對於出口22處於常開或常閉位置，並可移動以關閉或打開出口22。
優選地，第一、第二和第三層12、14、16的每一個由矽或者其他半導體材料製成。可替換地，第一和/或第三層12、16可由玻璃(Pyrex玻璃)、絕緣陶瓷或者任何其他絕緣材料製成。第二層14優選是摻雜的單晶半導體(SCS)，這是由於摻雜的單晶半導體強度高、柔韌性好和更加抗劣化，但是，第二層也可由任何導體材料製成。
儘管本文所描述的微閥10基本上用於打開和關閉入口20，但這種敘述只是用於說明性目的，顯然，可容易地使微閥10適用於打開或關閉出口22。此外，儘管本文描述的微閥10基本上為常開(N.O.)閥，但也可容易地使微閥10適合作為常閉(N.C.)閥。另外，為了本文敘述的清楚和簡要起見，基本上將只敘述致動器28和相應的電觸頭32a-b，儘管該敘述也相應地可適用於致動器30和電觸頭34a-b。
第一和第三層12、16限定了淺的凹陷18，儘管在圖1中只是示出了第一層12中的凹陷18。凹陷18限定在與第二層14的可動部件26和致動器28、30對齊的區域內，從而為可動部件26和致動器28、30在第一和第三層12、16之間的懸置提供間隙，並且為它們在第二層14的平面內的空腔24中的位移提供間隙。凹陷18也可限定在與空腔24對齊的區域內，從而進一步便於流體流過空腔24。可替換地或附加地，第二層14的可動部件26和致動器28、30可相對於第一和第三層12、16縮進或變薄，從而提供第一層和第三層之間的間隙。此外，凹陷18和縮進可以為可動部件26與第一、第三層12、16每一個之間在入口20附近的區域內提供大約0.5μm的間隙，以便當可動部件26在入口20上方對齊以切斷流體流動時，通過減小可動部件26和入口20之間的距離而使得流體洩漏最小化。此外，凹陷18和縮進可以為在其他那些例如致動器28、30與第一、第三層12、16的每一個之間的區域內提供大約1μm或更小的間隙，以便使流體或氣體壓差最小。
電觸頭32a-b設在第三層16中，並與熱致動器28豎直地對齊。電觸頭32a-b穿過通道提供電接觸，以將電流施加於致動器28。肋48用作觸頭32a-b之間的穿過第二層14的導電通路。觸頭32a-b優選與若非由肋48形成電流傳導通路之外將是隔離的第二層14的區域電接觸。這種電隔離可通過在第二層14中設置溝槽36來建立，以防止電觸頭32a-b之間短路。
可動部件26具有與熱致動器28、30接觸的第一致動器端部40和設置並成形為用於打開和關閉入口20的第二阻塞器端部42。可動部件26的橫截面積從第一致動器端部40到阻塞器端部42逐漸增加。第二阻塞器端部42處的較大橫截面積使得可動部件26經受流體壓差的能力最大。施加電流通過肋48使得肋48熱膨脹，這致使杆44沿著箭頭D28所示的方向施加力於可動部件26上。
微閥10的致動也與Hunnicutt的美國專利6637722和PCT專利公開WO01/71226中所述的致動機構大致類似，這兩份專利的全部內容在此加入以供參考。微閥10的元件和一般操作以上已經作了敘述，以用於該微閥的單個實施例的說明目的。然而，根據微閥10的預期應用，微閥可具有任何所需的且適當的結構或者配置。據信可適於在一些應用中取代這兒所述的微閥10的微閥的結構和操作的附加細節可在以上引用的參考文獻中找到。
由多層形成的微閥(如圖1所示的那一個)的製造可通過熔化接合(如矽熔化接合)和深反應離子蝕刻(DRIE)完成。熔化接合容許將一個矽層接合到另一個上，從而形成一個單獨的機械結構。已經證實熔化接合是分子級的，並提供了非常高的機械強度。熔化接合技術是眾所周知的。如，參見K.E.Petersen，D.Gee，F.Pourahmadi，J.Brown和L.Christel在1992年6月的換能器91論文集第397-399頁上的「利用矽熔化接合製造的表面微機械加工結構」(「SurfaceMicromachined Structures Fabricated with Silicon Fusion Bonding」，Proceedings，Transducers 91，June 1992，at pp.397-399)，其披露的內容特意在此全部加入以供參考。
參考圖2A-2F來敘述用於製造根據本發明優選實施例的微結構的工藝。本實施例採用三個矽層或晶片(例如，12′、14′和16′)。利用這三個矽層，該工藝使給定的單晶矽結構(SCS)微結構形成為相應於第二層14′的第二層的組成部分。第一和第三層12′、16′用作第二層14′的載體。可替換地，載體例如可由玻璃(Pyrex玻璃)形成，或者可由包括但不限於任何適當的晶體、金屬或陶瓷材料的任何其他適當的材料形成。當然，將可以理解，儘管下述的討論只涉及三層12′、14′和16′，但是，其原理可應用於包括兩層或更多層堆疊的微結構的形成。
在圖2A中，第一層12′利用光阻材料形成圖案，以限定將要在第一層中形成的凹入區域100，且這些凹入區域100利用標準半導體技術形成，如等離子蝕刻、利用KOH或其他矽蝕刻劑的溼法蝕刻或者特殊氧化物生長。凹入區域100可具有任意幾何形狀，並可具有任何所需的深度，例如，從小於0.1μm到大於100μm。在本實施例中，凹入區域100的深度大約為1μm。
應該理解，這些凹入區域100不必具有單一、一致的深度。例如，可採用幾個標準矽蝕刻步驟來產生可用於不同機械功能的幾個不同的深度。也應該理解，可替換地，或附加地，第二層14′可相對於第一層12′和第三層16′縮進，以在其間提供間隙，如上所述。而且，第一層表面12′a和第三層表面16′a的每一個可以是裸矽或者可以塗覆有氧化層。而且，凹入區域100的基部102可以是裸矽、氧化矽或摻雜矽，或者可塗覆有能夠經受隨後的層接合和處理溫度的任何其他薄膜。
如圖2B所示，入口104然後被蝕刻穿過第一層12′。儘管未示出，出口可同時蝕刻穿過第一層12′。可替換地或附加地，出口可蝕刻穿過第三層16′。
在圖2C中，第一層12′形成圖案的表面可通過矽熔化接合(或直接接合)工藝接合到優選是摻雜的第二層14′上。熔化接合技術是眾所周知的。例如，參見K.E.Petersen，D.Gee，F.Pourahmadi，J.Brown和L.Christel在1991年6月的換能器91論文集第397-399頁的「利用矽熔化接合製造的表面微機械加工結構」(「Surface MicromachinedStructures Fabricated with Silicon Fusion Bonding，」Proceedings，Transducers 91，June 1991，at pp.397-399)，其披露的內容特意在此全部加入以供參考。在優選的熔化接合技術中，第一層12′和第二層14′製成是親水性的。即，利用製劑如熱硝酸、或熱硫酸和雙氧水溶液、或其他強氧化劑來處理層12′、14′，致使水附著到它們上。在乾燥之後，然後把這兩層12′、14′置於溫度為400℃-1200℃的氧化氣氛中大約一個小時。
上述的矽熔化接合技術將第一層12′和第二層14′接合到一起，而未使用中間膠接材料，該膠接材料可能會具有不同於單晶矽層的熱膨脹係數。此外，可以進行熔化接合，其中層12′、14′之一或這二者的接合表面中已經形成氧化層或氮化層。
作為熔化接合的替換，例如，第一和第二層12′、14′可利用粘結劑如光阻材料而粘結到一起。作為替換，第一和第二層12′、14′的主表面可塗覆有金屬層(如金)，用於將層相互熔合。在利用玻璃載體來替代第一矽層12′的情況下，第二層14′可陽極接合到該玻璃載體上。
如果必要，第二層14′可減薄並拋光至特定應用所需的厚度。可替換地，機電蝕刻(ECE)可用於將層減薄。擴散的加熱器可通過擴散而併入第二層14′的平面表面中。另外，任何必要的線路或者其他薄膜沉積和圖案可利用標準矽處理技術進行。
然後使第二層形成限定了要蝕刻區域的圖案，以用於深反應離子蝕刻(DRIE)步驟。DRIE技術日漸為人們所熟知。例如，參考1998年6月於Hilton Head Island，SC召開的固態傳感器和致動器研討會的論文集中第41-44頁的A.A.Ayon、C.C.Lin、R.A.Braff和M.A.Schmidt的「時分多路ICP蝕刻器中的蝕刻特徵和輪廓控制」(「EtchingCharacteristics and Profile Control in a Time-Multiplexed ICPEtcher」，Proceedings of Solid State Sensor and Actuator Workshop，Hilton Head Island，SC，June 1998，pp.41-44)；1994年微機械工程第23卷第373-376頁的V.A.Yunkin、D.Fischer和E.Voges的「矽中深溝槽的高度各向異性的選擇性反應離子蝕刻」(「Highly AnisotropicSelective Reactive Ion Etching of Deep Trenches in Silicon，」Micromechanical Engineering，Vol.23，1994，at 373-376)；1991年6月的換能器91論文集第524-527頁的C.Linder、T.Tschan、N.F.de Rooij的「用作矽微機械加工的新型IC兼容工具的幹法深蝕刻技術」(「DeepDry Etching Techniques as a New IC Compatible Tool fbr SiliconMicromachining，」Proceedings，Transducers』91，June 1991，at524-527)；1984年11月7-8日的關於換能器的微機械加工和微封裝的研討會論文集第150-164頁的C.D.Fung和J.R.Linkowski的「利用等離子對矽進行的深蝕刻」(「Deep Etching of Silicon Using Plasma，」Proceedings of the Workshop on Micromachining andMicropackaging of Transducers，Nov.7-8，1984，at 150-164)；以及1995年第27卷微電子工程第453-456頁的J.W.Bartha、J.Greeschner、M.Puech和P.Maquin的「利用SF6/O2在高密度等離子中對矽進行的低溫蝕刻」(「Low Temperature Etching of Si in High Density PlasmaUsing SF6/O2，」Microelectronic Engineering，Vol.27，1995，at453-456)，所有這些參考文獻的全部內容在此加入以供參考。現在的反應離子蝕刻設備容許蝕刻非常深(＞100微米)的孔或溝槽，同時維持高的縱橫比(aspect ratio)(蝕刻區域的深度和蝕刻區域的寬度之間的比率)。已經發現，該設備能夠實現至少為30∶1的縱橫比，以用於深達300微米的溝槽。
實質上，DRIE涉及化學蝕刻和離子轟擊之間的協同作用。衝擊賦能的離子與矽表面發生化學反應。不管是在矽晶面或是晶向上，DRIE工藝能夠有利地沿著豎直方向以比沿著橫向更高的速率(即，各向異性地)進行蝕刻。結果，以附圖標記106總的來表示的相對較深的大致豎直的溝槽或狹槽可形成在單晶矽(SCS)的第二層14′中。不論第二層14′中的晶體學方向如何，這些大致豎直的溝槽或狹槽可形成在第二層14′中的任何地方。因而，可形成高縱橫比的結構如電容板或靜電板，且可形成任意輪廓的結構如圓形、橢圓形和螺旋形。
如圖2D所示，DRIE工藝用於完全蝕刻穿過第二層，從而形成可動部件108和致動器106。DRIE蝕刻步驟機械地釋放了形成於第二層14′中的單晶矽(SCS)微結構，單晶矽微結構然後相對於第二層14′並且在該第二層14′的平面內自由地移動。縱橫比(高度/寬度)為20∶1或更大的懸置板/梁結構已經利用下述的DRIE工藝製造。
感應耦合的等離子源利用光阻材料或者二氧化矽作為掩模來蝕刻矽。源氣體在蝕刻溝槽106的側壁上的聚合減慢橫向蝕刻速率，並容許高的各向異性。蝕刻用化學製品是SF6，例如在50毫託(millitorr)。由表面技術系統公司(Surface Technology Systems)可得的加氧氣體和氟化氣體有助於提供高的矽/光阻材料蝕刻速度比。六微米的光阻材料可用作成圖掩模。光阻材料比率是大約50∶1，這使得能夠利用大約6μm的光阻材料來蝕刻300μm的深度。可採用RIE系統來執行感應耦合等離子DRIE，並且RIE系統可從在加利福尼亞的Redwood City有營業所的表面技術系統公司(STS)或從在佛羅裡達的St.Petersburg的Unaxis USA，Inc.得到。
晶片接合和DRIE的組合容許由層12′、14′和16′構成三維結構，如本發明的微閥10′。例如，參見1995年在瑞典斯德哥爾摩的換能器95論文集第556-559頁的E.H.Klaassen、K.Pertersen、J.M.Noworolski、J.Logan、N.I.Maluf、J.Brown、C.Storment、W.McCulley和G.T.A.Kovacs的「矽熔化接合和深反應離子蝕刻；用於微結構的新技術」(「Silicon Fusion Bonding and Deep Reactive IonEtching；A New Technology for Microstructures」，Proceedings，Transducers 95，Stockholm，Sweden，1995，at pp.556-559)。
在圖2E中，第三層16′形成圖案的表面110通過矽熔化接合(直接接合)工藝接合到第二層14′上，如以上參考圖2C所述的。儘管未示出，也將可以理解，在接合之前，可對第三層16′進行與第一層12′類似的處理，以形成凹入區域112、入口114和出口116，以及貫穿層的接觸孔或通道。
如圖2F所示，例如通過濺射，將導電材料層120(如鋁)沉積到接觸孔或通道的表面118上、通過接觸孔露出的第二層14′的表面和第三層16′的至少一部分外平面表面16′b上。導電層120因此形成焊盤(bond pad)，以使得能夠與致動器106電接觸。可以使用標準矽處理技術在第三層16′上完成任何必要的線路或其他薄膜沉積和圖案。
可容易地將任何數目的改變加入這個工藝中。例如，第一、第二和/或第三層12′、16′可由代替矽的其他適當材料製成。微閥10′可由多於三層(如12′、14′、16′)形成，或者任何其他的微機械裝置可由兩層或更多層形成。此外，淺空腔可形成在第二層14′中而不是形成在第一和第三層12′、16′中，或者另外還形成在第一和第三層12′、16′中。可替換地，各個層12′、14′、16′可被分別單獨地處理，並然後通過對準的接合步驟裝配。可採用其他型式的接合方式將晶片接合到一起。顯而易見，本領域技術人員通過例如只是修改布置就可容易地對製造工藝作出各種改變。
如圖3所示的是一種大大簡化的微閥裝置。示出的微閥組件10″包括第一層12″和第二層14″。第三層(未示出)可用於微閥組件10″，並預計大致類似於第一層12″。如上所述，大致為矩形的第一層12″可具有穿過其形成的多個開口。大致為矩形形狀且大小與第一層12″和第三層相應的第二層14″也可包括穿過其形成的至少一個開口，以及形成在該第二層14″的前面52和背面上的通道(未示出)。大致為矩形且大小與第一層12″和第二層14″相應的第三層也可包括在與穿過第二層14″形成的至少一些開口的位置相應的位置處穿過第三層形成的至少一個開口。
許多微閥裝置(如圖1所示的那個)利用形成在層12、14、16一個或多個中的多個口20、22，以提供通過閥10從流體源到負載和儲存器的流體連通。如上所述，許多閥也包括可滑動的閥部，該閥部由第二層的本體支撐，以用於打開和關閉流體口。第二層也可包括可操作地連接到閥部以用於移動該閥部的致動器。通過由閥部控制的流體來定位微閥部分。微閥可包括可移動地置於形成在第二層中的空腔內的滑閥，該滑閥可在第一位置和第二位置之間移動。根據閥的布置，將滑閥從第一位置移動到第二位置，以部分地阻擋或不阻擋所述口，從而可變地限制主要口之間的流體流動。
為了使形成於微閥第二層中的可動元件便於移動，可動部分不被接合到相鄰層上。為了實現這一點，已知的是形成具有凹入部分的相鄰層，從而使得微閥的可動部分不具有可能會摩擦地抵抗可動部分移動的鄰接表面(如參考圖1所示的微閥10所述的)。可替換地，可動元件可形成為厚度小於層厚(該可動元件是該層的一部分)，從而提供間隙，以使得可動部分不與微閥裝置的相鄰層接觸。應該理解，凹陷和減厚部件的任何組合可用於完成所需的用來防止相鄰元件的接合和摩擦接觸的目的。
PCT專利公開WO01/71226教導了在層的區域上可凹入以提供微閥裝置的各層部分的選擇性接合，該專利全部內容在此加入以供參考。該專利還教導了將覆層施加於微閥的層的凹入區域中。這樣做的原因是為了防止該裝置的層間洩漏。沒有披露可用作覆層的材料的組成，或者該材料應該具有何種特徵。相反，如將在下文敘述的，本發明敘述了覆層的使用，以提供多層微閥的相鄰層的部分之間的選擇性接合。根據本發明，形成凹陷或者減小閥可動部分厚度所需的附加步驟(如可在圖2A-2F中所看到的)可以省略，或者降低這些步驟的必要性。可替換地，本發明的工藝可與上述的步驟一起使用。
在執行層接合工藝時，利用選擇性接合工藝來選擇性地產生不接合的區域。在優選實施例中，一般用62表示的覆層材料，如氮化矽，(如碳化矽、矽-陶瓷材料、金剛石、碳氟化合物以及聚合物如Teflon之類的材料是另外一些可能採用的覆層材料)可選擇性地置於矽層的接合表面上。在隨後的層接合處理過程中，覆蓋了氮化矽(SiN)或其他覆層材料62的那些區域在塗覆區域接觸相鄰層矽的地方將不接合。在矽與矽(或二氧化矽)接觸的區域將會發生接合。因此，與在其中一個接合層中蝕刻的要相對於其他接合層平移或旋轉的機械部件相對應的覆有覆層材料62的接觸區域在層接合處理之後將仍保持未接合。其他區域(例如接合層中的結構區域)優選沒有塗覆覆層材料62。因此，這些未塗覆區域將能夠充分地接合，從而在那些層之間提供充分的機械強度和密封。
也可通過使用塗覆要接合的選定區域並使得不接合區域未塗覆的工藝來完成選擇性接合。在這種工藝中，材料(如金)沉積為要接合的區域中的覆層。然後，晶片通過焊料接合到一起，其中，僅在有金覆層的地方形成接合。可替換地，可施加其他覆層，以便於接合操作。例如，矽、二氧化矽、玻璃、金屬(如金、銀、焊料)以及陶瓷材料都是可用於促進接合過程的材料。
圖3示出了微機械加工裝置10″的第一和第二層12″、14″。儘管示出了大大簡化的微機械加工裝置10″，可以理解，本發明的工藝可用於任何複雜等級的微機械加工裝置，如基本上參考圖1和2所述的那些裝置。在圖3中，示出微機械加工裝置10″的第一層12″是大致矩形的大致連續體。第二層14″示出是類似大小的、中心部分去除了的大致矩形體。如上所述，可利用任何適當的工藝來除去中心部分，如蝕刻，由此產生蝕刻的狹槽54。在第二層14″的本體的蝕刻狹槽54內還形成微機械加工裝置10″的可動部分56。因此，優選的是，可動部分56的邊緣沒有與第二層14″的外部58剛性連接。如果需要，可動部分56可通過與美國專利US6540203中示出的彈簧172類似的柔性彈簧部件(未示出)彈性地連接到所述外部。如上所述，也可具有與可動部分56連接的致動器部分(未示出)。然而，可以使用任何適當的致動機構。由於可動部分56沒有與第二層14″剛性連接，該可動部分56能夠相對於第二層且在蝕刻狹槽54內移動。可以預想，第三層可以類似於第一層12″那樣形成，因此，第二層14″的可動部分56將被限制在第一層12″和第三層之間。
在優選實施例中，第一層12″的下側上的區域60塗覆了覆層材料62，如上所述的。可以預見，第三層也可進行類似地塗覆。為了將覆層材料62隻施加於選擇的區域60，可以使用任何適當的掩蔽法。然而，第二層14″的可動部分56可相對於第三層凹入，以提供用來防止第二層14″的可動部分56和第三層之間接合的另一種方式。類似地，第三層的一部分可具有凹入部分，以使得第二層14″的可動部分56在進行接合過程時不與第三層鄰接。
為了形成微機械加工裝置10″，一旦覆層材料62施加於第一層12的區域60，第一層12″和第二層14″的相應角部就重疊。如果已經使用掩蔽裝置，如上所述，在第一層12″和第二層14″疊置之前可去除掩模(如果需要這樣做)。如圖3所示，第一層12″上的角部A和第二層14″上的角部A′相互重疊。同樣地，第一層上的角部B和第二層14″上的角部B′相互重疊。一旦層以這種疊置方式被安置，可應用層接合工藝(如那些上述的其中之一)來將第一層12″和第二層14″接合到一起。優選的是，接合工藝是矽熔化接合工藝，儘管可以採用任何適當的接合工藝。由於存在覆層材料62，第二層的可動部分56將不與第一層12″接合。儘管示出在第一層12″的區域60上塗覆了覆層材料62，可以理解，可動部分56也可塗覆有覆層材料62，或者可替換地，只有可動部分56被這樣塗覆。
塗覆了覆層材料62的區域60優選基本上與第二層14″的可動部分56的大小和形狀一致。與蝕刻狹槽54的大小和形狀相應的第一層12″上的整個區域不是必須塗覆有覆層材料62。由於第二層14″的可動部分56優選在接合過程中維持在單一的位置，所以不是必需塗覆整個區域，並因此，可動部分56在接合過程中將只維持與第一層12″的塗覆區域接觸。一旦完成接合過程，可動部分56將能夠在蝕刻狹槽54內移動，而不與其接合，這是由於發生接合所需的一些條件(如，持續一段時間的高溫)在閥10″的操作過程中將不存在。此外，在完成接合過程之後，覆層材料62一般將保持在塗覆區域60的表面上。塗覆區域60上的餘留覆層材料62也可有助於防止微閥裝置10″的層間洩漏。
在優選實施例中，所施加的覆層材料62的厚度在大約100埃到大約10微米之間。優選的厚度將在幾百埃至幾千埃之間。可以理解，可施加任何適當厚度的覆層。為了與層間覆層的附加厚度相適，第二覆層材料(未示出)可施加於覆層材料62周圍的區域上。第二覆層材料可促進接合過程或者對接合過程沒有影響。可替換地，或者附加地，施加了覆層材料62的區域可相對於被塗覆的層的厚度變薄，這樣，在覆層材料62施加到所需厚度時，覆層材料的表面與被塗覆的層的相鄰表面大致齊平。然而，也應該理解，覆層材料62可以具有相對於微機械加工裝置的總厚度而言不顯著的厚度，這樣，在將多層接合到一起之前，不需第二塗覆或減薄步驟。
在圖4A-D中示出了用於形成微閥的可替換方法。如以上參考圖3所述的，微機械加工裝置10的幾個層在圖4A-D中示出。儘管示出了大大簡化了的微機械加工裝置10，但是可以理解，本發明的工藝可用於任何複雜等級的微機械加工裝置，如以上基本上參考圖1和2所述的那些裝置。在這個實施例中，設置第二層14。示出的微機械加工裝置10的第二層14是大致矩形的大致連續體。然而，在蝕刻第二層14的一部分之前，第二層14的選定區域塗覆了上述的覆層材料62。為了將覆層材料62隻施加於選定區域70，可以使用任何適當的掩蔽法。優選的是，覆層62在與第二層14的可動部分66或多個部分的所需形狀和大小相應的區域70中施加於該第二層14的上下表面(如圖4A-D所示)。一旦所需區域70被塗覆，第二層14的中心部分(狹槽64)可被蝕刻。要蝕刻穿過第二層14以形成狹槽64的區域的內部和外部邊界在圖4A中用虛線示出。不被蝕刻的那些部分可被掩蔽或以其他方式保護起來，以便防止那些部分受到蝕刻工藝的影響。
如上已述的，在第二層14中，中心部分可用任何適當的工藝(如蝕刻)去除，由此產生蝕刻狹槽64。在第二層14的本體的蝕刻狹槽64內還形成微機械加工裝置10的可動部分66。因此，優選的是，可動部分66的邊緣沒有與第二層14的外部68剛性連接。如果需要，可動部分66可通過與美國專利US6540203中所述的彈簧172類似的柔性彈簧部件(未示出)彈性地連接到所述外部。如上所述，也可具有與可動部分66連接的致動器部分(未示出)。然而，可以使用任何適當的致動機構。由於可動部分66沒有與第二層14剛性連接，可動部分66能夠相對於第二層並在該蝕刻狹槽64內移動。
可以預見，第二層12和第三層16可與上述的任一層類似地形成。形成微機械加工裝置10的方法的下一步驟包括將第二層14置於第一層12和第三層16之間。因此，第二層14的可動部分66將被限制在第一層12和第三層16之間。一旦以這種疊置方式設置層，可採用層接合工藝(如上述的那些工藝中的其中之一)來將層12、14、16接合到一起。優選的是，接合工藝是矽熔化接合工藝，儘管可以使用任何適當的接合工藝。由於存在覆層材料62，第二層14的可動部分66將不與第一層12或第三層16接合。
塗覆了覆層材料62的區域70優選基本上與第二層14的可動部分66的大小和形狀一致。第一層12和第三層16上與蝕刻狹槽64的大小和形狀相應的區域不是必須塗覆覆層材料62。由於第二層14的可動部分66優選在接合過程中維持在單一的位置，因此不需塗覆整個區域，並且因此，可動部分66在接合過程中將只維持與第一層12和第三層16的塗覆部分接觸。一旦完成接合過程，可動部分66將能夠在蝕刻狹槽64內移動，而不與其接合，這是因為發生接合所需的一些條件(如，持續一段時間的高溫)在閥10的操作過程中將不存在。此外，在接合過程完成之後，覆層材料62一般將保持在塗覆區域70的表面上。塗覆區域70上的餘留覆層材料62也可有助於防止越過可動部分66而在微機械加工裝置10層間的洩漏。
應該理解，儘管本發明已經大體上敘述為塗覆一層或多層的區域來防止塗覆區域和相鄰層之間的接合，但是，本發明也可應用於僅僅是要接合的區域塗覆有覆層材料而不接合的區域不塗覆的實施例。
圖5中示出總的以100指示的流程圖，該流程圖列出在本發明的一個實施例中形成微閥的步驟。如上所述，在第一步驟101設置第一層材料。在第二步驟102設置第二層材料。在第三步驟103，覆層設置在第一層和第二層中的至少其中一層的一部分上。覆層有效地防止該部分與第二層和第一層中的另一層接合。在第四步驟104，第一和第二層相互接合。
圖6示出總的以200表示的流程圖，該流程圖列出在本發明的另一個實施例中形成微閥的步驟。在第一步驟201，設置第一層材料和第二層材料。在第二步驟202，對第一層進行微機械加工，從而形成可相對於該第一層的靜止部分移動的部分。在第三步驟203，第二層的一部分塗覆能夠有效防止第一層和第二層之間在隨後的接合操作中接合的材料。在第四步驟204，將第二層的塗覆部分與第一層的可動部分相鄰設置。在第五步驟205，執行接合操作，以將多層接合在一起。
圖7中示出總的以300表示的流程圖，該流程圖列出在本發明的另一個實施例中形成微閥的步驟。在第一步驟301，設置第一和第二層材料。在第二步驟302，對第一層進行微機械加工，從而形成可相對於該第一層的靜止部分移動的部分。在第三步驟303，第二層的一部分塗覆能夠有效促進第一層和第二層在隨後的接合操作中接合的材料。在第四步驟304，第二層的塗覆部分與第一層的靜止部分相鄰設置。在第五步驟305，執行接合操作，以將多層接合在一起。
圖8中示出總的以400表示的流程圖，該流程圖列出在本發明的另一個實施例中形成微閥的步驟。在第一步驟401，設置具有第一部分和第二部分的第一矽層。在第二步驟402，設置第二矽層。在第三步驟403，對第二矽層的一部分進行蝕刻，以形成滑動部和層部。在第四步驟404，以與第二層的滑動部大小和形狀相應的大小和形狀來對第一矽層的第一部分塗覆覆層材料。覆層材料在隨後的接合過程中可有效地將滑動部與第一矽層隔開，從而防止滑動部與對準的第一層的第一部分接合。第一層的第二部分不塗覆。在第五步驟405，將第一矽層置於第二矽層之上，以使第一層的塗覆部分大致與第二矽層的滑動部對準。在第六步驟406，執行接合操作，以將第一矽層接合到第二矽層上。
圖9示出總的以500表示的流程圖，該流程圖列出在本發明的另一個實施例中形成微閥的步驟。在第一步驟501，設置第一矽層。在第二步驟502，設置第二矽層。在第三步驟503，對一部分第二矽層進行蝕刻，以形成滑動部和層部。在第四步驟504，在層之間所需接合的區域，將第一矽層的一部分塗覆覆層材料。在可選的第五步驟505，選擇性地從滑動部上方的區域去除覆層。在第六步驟506，將第一矽層置於第二矽層之上，以使第一層的未塗覆部分大致與第二矽層的滑動部對準。在第七步驟507，執行接合操作，以只在設置了覆層的區域上將第一矽層接合到第二矽層上。
圖10示出總的以600表示的流程圖，該流程圖列出在本發明的另一個實施例中形成微閥的步驟。在第一步驟601，設置第一層材料。在第二步驟602，設置第二層材料。在第三步驟603，在第一層的一部分上設置覆層。覆層有效地防止了第一層的塗覆部分和第二層之間在隨後的接合操作過程中接合。在第四步驟604，蝕刻第一層材料，從而在第一層內形成滑動部，並且形成層部。滑動部可相對於層部移動。滑動部也與塗覆部分的大小和形狀相應。在第五步驟605，將第一層和第二層相互接合。
已經在優選實施例中敘述了本發明的操作原理和方式。然而，應該指出，在不偏離其範圍的情況下，本發明可以除了這兒詳細說明和敘述的其他方式實施。
權利要求
1.一種通過將多層材料選擇性地接合來製造微機械加工裝置的方法，包括a)設置第一層材料；b)設置第二層材料；c)在第一層的第一部分上設置覆層；以及d)將第一層和第二層相互接合，以形成微機械加工裝置，該覆層可有效地防止塗覆部分與第二層接合。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，覆層材料選自由氮化矽、碳化矽、聚合物薄膜、碳氟化合物薄膜和矽-陶瓷材料組成的組。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，覆層材料是氮化矽。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，第二層具有形成在其中的多個機械部件，這些機械部件可相對於第二層的靜止部分移動。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，在步驟c)中，覆層設在第一層上與形成於第二層中的機械部件位置相應的位置處，以使得在第一層相鄰第二層設置時，塗覆部分與機械部件相鄰。
6.如權利要求5所述的方法，在步驟d)之後還包括步驟e)設置第三層材料；f)在第三層的第一部分上設置覆層；以及g)將第三層接合到第二層上，其中，第三層上的覆層可有效防止塗覆部分與第二層接合。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，在步驟f)中，覆層設在第三層上與形成於第二層上的機械部件位置相應的位置處，以使得在第三層相鄰第二層設置時，塗覆部分與機械部件相鄰。
8.如權利要求1所述的方法，在步驟a)之後還包括步驟a1)將第一層的第一部分減薄，以減小其厚度，以使得在覆層材料在步驟c)施加於該部分時，覆層的上表面大致與第一層的相鄰上表面齊平。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟d)中，利用熔化接合工藝將第一層接合到第二層上。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟d)中，利用直接接合工藝將第一層接合到第二層上。
11.如權利要求1所述的方法，在步驟c)之前還包括步驟c′)掩蔽第一層的第二部分，其中，第二部分包括第一層上將不被覆層覆蓋的區域。
12.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，施加厚度為10埃至100微米的覆層。
13.一種通過選擇性地接合多層材料來製造微機械加工裝置的方法，包括a)設置第一層材料；b)設置第二層材料；c)在第一層和第二層中的至少一個的一部分上設置覆層；以及d)將第一層和第二層相互接合，以形成微機械加工裝置，其中，只有在覆層與第一層和第二層均接觸的地方，這兩層的接合才發生。
14.如權利要求13所述的方法，其特徵在於，第二層具有形成在其中的多個機械部件，這些機械部件可相對於第二層的靜止部分移動。
15.如權利要求14所述的方法，在步驟c)之前還包括步驟c′)掩蔽形成於第二層中的機械部件，這樣，當在步驟c)設置覆層時，機械部件仍保持未塗覆。
16.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，在步驟c)過程中，只有第一層的選擇部分被塗覆，以使第一層的一部分仍保持未塗覆，且還在步驟d)之前包括步驟d′)使第一層和第二層相鄰設置，以使第一層的未塗覆部分相鄰第二層的機械部件設置。
17.如權利要求14所述的方法，在步驟d)之後還包括步驟e)設置第三層材料；f)塗覆第三層的選擇部分，以使第三層的一部分保持不塗覆；g)將第三層和第二層相鄰設置，以使第三層的未塗覆部分相鄰第二層的機械部件設置；以及h)將第三層和第二層相互接合，其中，第二層和第三層只在覆層與這兩層均接觸的地方發生接合。
18.如權利要求13所述的方法，在步驟a)之後還包括步驟a1)將第一層的所述部分減薄，以減小其厚度，以便當覆層材料在步驟c)施加於該部分時，覆層的上表面大致與第一層的相鄰上表面齊平。
19.如權利要求13所述的方法，其特徵在於，覆層材料選自由矽、二氧化矽、玻璃、金、銀和焊料組成的組。
20.如權利要求13所述的方法，其特徵在於，施加厚度為10埃至100微米的覆層。
21.一種形成微閥的方法，包括a)設置至少包括第一層和第二層的多層材料，其中，至少第一層包括可動的微閥部分，該可動的微閥部分可相對於第一層的靜止部分移動；b)塗覆第二層的一部分；c)將第二層的塗覆部分相鄰第一層的可動微閥部分設置；以及d)執行接合操作，以將多層接合到一起，其中，覆層防止第一層的可動微閥部分與第二層的塗覆部分接合，同時第二層的未塗覆部分接合到第一層的靜止部分上。
22.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，覆層材料選自由氮化矽、碳化矽、聚合物薄膜、碳氟化合物薄膜和矽-陶瓷材料組成的組。
23.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述覆層材料是氮化矽。
24.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述多層包括第三層材料，並且在步驟d)之後還包括步驟e)在第三層的一部分上設置覆層；以及f)將第三層接合到第一層上，其中，第三層上的覆層有效防止第一層的可動微閥部分與第三層的塗覆部分接合，同時，第三層的未塗覆部分接合到第一層的靜止部分上。
25.如權利要求24所述的方法，其特徵在於，在步驟e)中，只有一部分第三層被塗覆，以使覆層設在第三層上與第一層的可動微閥部分位置相應的位置處，且一部分第三層保持未被塗覆，並且，還在步驟e)之後包括步驟e1)將第三層相鄰第一層設置，以使所述覆層部分與第一層的可動微閥部分相鄰。
26.如權利要求21所述的方法，在步驟a)之後還包括步驟a1)將第二層的第一部分減薄，以減小其厚度，以便當覆層材料在步驟b)施加於所述部分時，覆層的上表面大致與第二層的相鄰表面齊平。
27.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，在步驟d)中，利用熔化接合工藝將第一層接合到第二層上。
28.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，在步驟d)中，利用直接接合工藝將第一層接合到第二層上。
29.如權利要求21所述的方法，在步驟b)之前還包括步驟b′)掩蔽第二層的第二部分，其中，當覆層在步驟b)中施加於第二層的其餘部分時，第二部分包括第二層的將不被覆層覆蓋的區域。
30.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，施加厚度為10埃至100微米的覆層。
31.一種形成微閥的方法，包括a)設置多層材料，其中，至少第一層包括可動微閥部分，該可動微閥部分可相對於第一層的靜止部分移動；b)塗覆第二層的一部分；c)將第二層的塗覆部分相鄰第一層的靜止部分設置；以及d)執行接合操作，以將多層接合在一起，其中，覆層使得所述靜止部分與第二層的塗覆部分接合，同時第二層的未塗覆部分不與第一層的可動微閥部分接合。
32.一種形成微機械加工裝置的方法，包括a)設置第一矽層；b)設置第二矽層；c)蝕刻一部分第二矽層，以形成包括滑動部和層部在內的一部分微機械加工裝置，以使該滑動部可相對於層部移動；d)用覆層材料塗覆一部分第一矽層，該塗覆部分的大小和形狀與滑動部的大小和形狀相應；e)將第一矽層置於第二矽層之上，以使第一矽層的塗覆部分與第二矽層的滑動部大致對齊；f)執行接合操作，以將第一矽層接合到第二矽層上，其中，覆層材料在接合操作過程中將滑動部與第一矽層隔開，以防止滑動部與第一層接合。
33.一種形成微機械加工裝置的方法，包括a)設置第一矽層；b)設置第二矽層；c)蝕刻一部分第二矽層，以形成包括滑動部和層部在內的一部分微機械加工裝置，以使該滑動部可相對於層部移動；d)用覆層材料塗覆一部分第一矽層，該覆層置於需要接合的區域，覆層材料選擇性地至少是以下的一種情況被掩蔽以免覆蓋滑動部上方的區域，或是在隨後的步驟中從滑動部上方的區域去除；以及e)將第一矽層置於第二矽層上，以使第一矽層的未塗覆部分大致與第二矽層的滑動部對準；以及f)執行接合操作，以只在設置了覆層的區域將第一矽層接合到第二矽層上，其中，未塗覆區域在接合操作過程中使滑動部與第一矽層隔開，以防止滑動部與第一層接合。
34.如權利要求33所述的方法，其特徵在於，覆層材料從由矽、二氧化矽、玻璃、金、銀和焊料組成的組中選擇。
35.如權利要求33所述的方法，其特徵在於，施加厚度為10埃至100微米的覆層。
36.一種選擇性地接合多層材料以形成微機械加工裝置的方法，包括a)設置第一層材料；b)設置第二層材料；c)在一部分第一層材料上設置覆層；d)蝕刻第一層材料，以形成包括滑動部和層部的一部分微機械加工裝置，其中，滑動部形成在第一層內，滑動部可相對於層部移動，且滑動部大致與塗覆部分的大小和形狀相應；以及e)將第一層和第二層相互接合，覆層有效防止所述部分與第二層接合。
37.如權利要求36所述的方法，其特徵在於，覆層材料從由氮化矽、碳化矽、聚合物薄膜、碳氟化合物薄膜和矽-陶瓷材料組成的組中選擇。
38.如權利要求36所述的方法，其特徵在於，施加厚度為10埃至100微米的覆層。
全文摘要
披露了一種用於形成微機械加工裝置的方法，其包括設置第一矽層和第二矽層。蝕刻一部分第二矽層，以形成滑動部和層部。滑動部可相對於層部移動。一部分第一矽層塗覆有大小和形狀與滑動部的大小和形狀相應的覆層材料。第一矽層然後置於第二矽層之上，以使第一矽層的塗覆部分大致與第二矽層的滑動部對準。執行接合操作以將第一矽層接合到第二矽層上。覆層材料在接合操作過程中將滑動部與第一矽層隔開，以防止滑動部與第一層接合。也可通過利用只是在與覆層材料相鄰的區域增強或導致接合的覆層材料來選擇性地塗覆第一矽層的部分來實施該方法覆層。也可採用混和工藝，即，一種材料置於第一矽層的部分上以防止接合，第二種材料置於第一矽層的其他部分上以增強或導致接合。
文檔編號B29C65/00GK1942222SQ200580011090
公開日2007年4月4日 申請日期2005年2月15日 優先權日2004年3月5日
發明者B·R·戴維斯 申請人:鋁微有限公司